(57)【要約】【課題】小型かつ低騒音を実現した空気ポンプを提供すること。【解決手段】吸入口１４１ａと連通する吸入接続部１４３及び吐出口１４１ｃと連通する吐出接続部１４４をフロントプレート１４１の反ポンプ機構部側に設け、吸入接続部１４３の最小通路断面積を吐出接続部１４４の最小通路断面積と同等、もしくはそれ以下とすることにより、ポンプ空間１６１から吸入口１４１ａを経てポンプ外部に漏れ出る膨張音や摺動音を抑制することができるので、消音器を用いることなく騒音低減を図ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状内壁を有するシリンダ内に、円筒形状のロータを前記シリンダの中心軸から偏心させた状態で配置し、前記ロータにはその中心軸方向に複数のスリットを設け、これらのスリットには自己潤滑性を有する材質よりなる板状のベーンを摺動可能な状態で嵌合させ、フロントプレートとリアプレートを前記ロータと前記ベーンを挟み込むように前記シリンダの端面に配置して複数のポンプ空間を形成し、前記ロータの中心軸にはモータシャフトを備えてポンプ機構部を構成し、前記フロントプレートには前記ポンプ空間に空気を取り込む吸入口及び前記ポンプ空間から空気を排出する吐出口を設け、前記リアプレートの反ポンプ機構部側には駆動モータを配置し、前記駆動モータが前記モータシャフトを駆動することにより、前記ポンプ空間が伸縮作用を生じるベーンロータリ型空気ポンプであって、前記吸入口と連通する吸入接続部及び前記吐出口と連通する吐出接続部とを前記フロントプレートの反ポンプ機構部側に設け、前記吸入接続部の最小通路断面積を前記吐出接続部の最小通路断面積と同等、もしくはそれ以下にしてなるベーンロータリ型空気ポンプ。
【請求項２】
筒状内壁を有するシリンダ内に、円筒形状のロータを前記シリンダの中心軸から偏心させた状態で配置し、前記ロータにはその中心軸方向に複数のスリットを設け、これらのスリットには自己潤滑性を有する材質よりなる板状のベーンを摺動可能な状態で嵌合させ、フロントプレートとリアプレートを前記ロータと前記ベーンを挟み込むように前記シリンダの端面に配置して複数のポンプ空間を形成し、前記ロータの中心軸にはモータシャフトを備えてポンプ機構部を構成し、前記フロントプレートには前記ポンプ空間に空気を取り込む吸入口及び前記ポンプ空間から空気を排出する吐出口を設け、前記リアプレートの反ポンプ機構部側には駆動モータを配置し、前記駆動モータが前記モータシャフトを駆動することにより、前記ポンプ空間が伸縮作用を生じるベーンロータリ型空気ポンプであって、前記吸入口と連通する吸入接続部及び前記吐出口と連通する吐出接続部とを備えた接続プレートを前記フロントプレートの反ポンプ機構部側に隣接配置し、前記吸入接続部の最小通路断面積を前記吐出接続部の最小通路断面積と同等、もしくはそれ以下にしてなるベーンロータリ型空気ポンプ。
【請求項３】
接続プレートの中心軸方向の投影面積を、フロントプレートの中心軸方向の投影面積と同等、もしくはそれ以下にしてなる請求項２に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
【請求項４】
吸入接続部及び吐出接続部を円管形状としてなる請求項１から３に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
【請求項５】
吸入接続部及び吐出接続部の内径を、前記吸入接続部及び前記吐出接続部のそれぞれの外径の５０％から９０％としてなる請求項４に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
【請求項６】
吸入接続部及び吐出接続部の飛び出し長さを、前記吸入接続部及び前記吐出接続部のそれぞれの外径の５０％から１００％としてなる請求項４または５に記載のベーンロータリ型空気ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を用いたモバイル用情報端末機器の空気供給装置に使用されるオイルレス空気ポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、モバイル用の燃料電池は開発途上であり、この燃料電池のセルに空気を供給する空気ポンプとしては適切なものが存在しない。この種の空気ポンプに求められる特性は、供給空気はオイル等の不純物を含んでいないこと、すなわちオイルレス機構であること、供給空気量は５〜１０Ｌ／ｍｉｎ程度の比較的小流量でよいが、燃料電池セルの空気通路で生じる圧力損失にうち勝って空気を送り込むために、その圧力はΔＰ＝５ｋＰａ必要なこと、大きさはモバイル機器に組み込む必要性から直径はおよそφ３０ｍｍ以下であること、及び騒音レベルが低いことが求められる。
【０００３】
従来、この種のポンプとしては例えば特許文献１のようなベーンロータリ型空気ポンプがあった。図５、図６及び図７は特許文献１に記載された従来のベーンロータリ型ポンプである。図５、図６において、内面が円筒状のシリンダ４０内に、中心軸がシリンダ４０の中心軸と所定量だけ離れた状態で円筒状のロータ４２が配置され、ロータ４２にはその中心軸方向に複数のスリット６５が設けられ、これらのスリット６５内には板状のベーン６６が摺動可能な状態で嵌合され、ベーン６６の先端部がシリンダ４０の内面と摺動する構成になっている。さらに、ロータ４２とベーン６６を挟み込むようにフロントプレート４４とリアプレート４６がシリンダ４０の端面に配置されることにより、シリンダ４０、ロータ４２、ベーン６６、フロントプレート４４およびリアプレート４６により囲まれて複数のポンプ空間４１が形成されている。
【０００４】
フロントプレート４４は、所定の位置に吸入接続部６８と吐出接続部７０を備え、吸入接続部６８の上流側と吐出接続部の下流側には、それぞれ図７に示すような消音器７２、７４が配置されている。またロータ４２は、中心軸に駆動力を伝達するメカシャフト５０を備えており、メカシャフト５０はフロントプレート４４とリアプレート４６に取り付けられた軸受５２と５４により支持されている。モータ６０からメカシャフト５０に動力が伝達されると、図５において時計回りにロータ４２が回転し、空気は消音器７２を経て吸入接続部６８からシリンダ４０内のポンプ空間４１に供給される。圧縮された空気は、吐出接続部７０から消音器７４を経て吐出される。
【特許文献１】特開昭６３−１７７８３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら前記従来の構成では、空気ポンプと消音器をセットで使用するには、十分な空間容積が必要となり、小型・軽量が求められているモバイル用燃料電池の空気供給装置に用途展開することが困難となる。また消音器を撤去して空気ポンプのみを使用すると、騒音が大きくなってしまうという課題を有していた。
【０００６】
本発明は前記従来の課題を解決するもので、消音器を用いずに低騒音運転を実現できるベーンロータリ型空気ポンプの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明のベーンロータリ型空気ポンプは、吸入口と連通する吸入接続部と吐出口と連通する吐出接続部をフロントプレートの反ポンプ機構部
側に設け、吸入接続部の最小通路断面積を吐出接続部の最小通路断面積と同等、もしくはそれ以下にしたものである。
【０００８】
かかる構成によれば、ポンプ空間から吸入口を経てポンプ外部に漏れる膨張音や摺動音を抑制することができる。すなわち消音器を用いることなく低騒音運転を実現した空気ポンプを提供することができるので、燃料電池本体の小型設計が可能となる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のベーンロータリ型空気ポンプは、小型かつ低騒音を両立しているため、モバイル用燃料電池の空気供給装置に用途展開することができ、燃料電池本体の小型・軽量化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
請求項１に記載の本発明では、筒状内壁を有するシリンダ内に、円筒形状のロータをシリンダの中心軸から偏心させた状態で配置し、ロータにはその中心軸方向に複数のスリットを設け、これらのスリットには自己潤滑性を有する材質よりなる板状のベーンを摺動可能な状態で嵌合させ、フロントプレートとリアプレートをロータとベーンを挟み込むようにシリンダの端面に配置して複数のポンプ空間を形成し、ロータの中心軸にはモータシャフトを備えてポンプ機構部を構成し、フロントプレートにはポンプ空間に空気を取り込む吸入口及びポンプ空間から空気を排出する吐出口を設け、リアプレートの反ポンプ機構部側には駆動モータを配置し、駆動モータがモータシャフトを駆動することにより、ポンプ空間が伸縮作用を生じるベーンロータリ型空気ポンプであって、吸入口と連通する吸入接続部及び吐出口と連通する吐出接続部をフロントプレートの反ポンプ機構部側に設け、吸入接続部の最小通路断面積を吐出接続部の最小通路断面積と同等、もしくはそれ以下にしたものである。
【００１１】
この構成によれば、ポンプ空間から吸入口を経てポンプ外部に漏れ出る膨張音や摺動音を抑制することができる。すなわち消音器を用いることなく低騒音運転を実現した空気ポンプを提供することができるので、燃料電池本体の小型設計が可能となる。
【００１２】
請求項２に記載の本発明では、吸入口と連通する吸入接続部及び吐出口と連通する吐出接続部を備えた接続プレートをフロントプレートの反ポンプ機構部側に隣接配置し、吸入接続部の最小通路断面積を吐出接続部の最小通路断面積と同等、もしくはそれ以下にしたものである。この構成によれば、騒音低減はもちろん、吸入接続部と吐出接続部をフロントプレートと分離しているので、例えばプレス板金等で接続プレートを加工することができ、安価に製作することが可能となる。すなわち低コストの空気ポンプを提供することができる。
【００１３】
請求項３に記載の本発明では、特に請求項２に記載の接続プレートの中心軸方向の投影面積を、フロントプレートの中心軸方向の投影面積と同等、もしくはそれ以下にしたものである。この構成によれば、空気ポンプの径方向サイズを拡大することなく低騒音を実現することができるので、燃料電池本体の小型設計が可能となる。
【００１４】
請求項４に記載の本発明では、特に請求項１から３のいずれか１つに記載の吸入接続部及び吐出接続部を円管形状としたものである。この構成によれば、例えばチューブなどを用いることにより、燃料電池本体の吸気経路及び排気経路と容易に接続することができる。
【００１５】
請求項５に記載の本発明では、特に請求項４に記載の吸入接続部及び吐出接続部の内径を、各接続部外径の５０％から９０％としたものである。この構成によれば、吸入抵抗及
び吐出抵抗をつけることなく、低騒音化を図ることができる。
【００１６】
請求項６に記載の本発明では、特に請求項４または５  のいずれか１つに記載の吸入接続部及び吐出接続部の飛び出し長さを、各接続部外径の５０％から１００％としたものである。この構成によれば、例えばチューブなどの接続配管を用いた場合、接続部からチューブがはずれてしまう恐れもない。また微量の漏れも許容されない場合には、チューブと接続部のひっかかりが十分にあるため、Ｏリング等を介在させ漏れを防止することも可能となる。
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１におけるベーンロータリ型空気ポンプの横断面図である。また図２は、本実施の形態１におけるベーンロータリ型空気ポンプの縦断面図であり、図１は図２におけるＡ−Ｏ−Ａ断面に相当する。
【００１９】
まず構成について説明する。図１において、本発明のベーンロータリ型空気ポンプは、ポンプ機構部１００と駆動モータ部２００により構成されている。
【００２０】
ポンプ機構部１００は、筒状内壁を有するシリンダ１１１と、円筒形状のロータ１２１と、自己潤滑性を有するカーボン複合材質よりなる板状のベーン１３１と、自己潤滑性材質を一面に塗布したフロントプレート１４１及びリアプレート１５１から構成されている。ロータ１２１はシリンダ１１１の中心軸から偏心した状態で配置され、このロータ１２１の中心軸方向に設けられた複数のスリット１２２に、ベーン１３１が摺動可能な状態で嵌合されている。本実施の形態では、ロータ１２１とシリンダ１１１はアルミニウム合金より構成されて軽量化を図っており、その材質にはシリコン含有量が約１０％のアルミニウム合金を使用している。そしてフロントプレート１４１とリアプレート１５１が、ロータ１２１とベーン１３１を挟み込むようにシリンダ１１１の両端に配置され、複数のポンプ空間１６１を形成している。このとき、フロントプレート１４１とリアプレート１５１は、互いに自己潤滑性材質の塗布された面が向かい合うように配置される。両プレートに塗布された自己潤滑性材質としては、例えば二硫化モリブデン等がある。
【００２１】
駆動モータ部２００は、ステータ２１１とモータロータ２２１とモータシャフト２２２とモータケーシング２３１と固定板２４１から構成される。固定板２４１にステータ２１１が取り付けられ、ステータ２１１の外周を覆うようにモータロータ２２１が配置され、さらにモータロータ２２１の外周を覆うようにモータケーシング２３１が配置され、固定板２４１に取り付けられている。モータシャフト２２２はモータロータ２２１の中心に固定されている。なお本実施の形態では、代表してアウターロータタイプの直流モータを例に挙げているが、これに限ったものではない。
【００２２】
ロータ１２１の中心軸には、リアプレート１５１の反ポンプ機構部側に配置された駆動モータ部２００のモータシャフト２２２が結合されており、駆動モータ部２００で発生した回転力をロータ１２１に伝達する役割を果たしている。このモータシャフト２２２はフロントプレート１４１とリアプレート１５１にそれぞれ設けられた軸受１４２、１５２で回転可能に支承されている。これらの軸受としては、無潤滑でも使用可能なグリス封入型ボールベアリングが望ましい。
【００２３】
次に動作について説明する。上記構成で駆動モータ部２００に通電すると、モータシャフト２２２とこれに連結されたロータ１２１が図２の矢印の方向に回転する。この時ベー
ン１３１は回転の遠心力によりスリット１２２内で外側側へと移動し、ベーン１３１の先端がシリンダ１１１の内面に接触・摺動しながら回転運動する。その結果、ポンプ空間１６１は伸縮するので、空気がフロントプレート１４１の吸入口１４１ａより吸い込まれ、その一部は直接ポンプ空間１６１に入り込む。残りの空気は、シリンダ１１１を軸方向に貫通する連通路１１１ｂを経由した後、リアプレート１５１に形成された吸入ポート１５１ｂを経て、ポンプ空間１６１に入り込む。ポンプ空間１６１に入った空気は、およそ１回転する間に圧力が上昇（例えば、ΔＰ＝５ｋＰａ）し、フロントプレート１４１に設けられた吐出口１４１ｃを経て外部へと供給される。
【００２４】
モバイル用燃料電池に使用される空気ポンプにはいくつかの要求項目があり、その１つとして低騒音がある。燃料電池を構成する機器のうち、音源となるのはポンプ類であり、特に空気ポンプの騒音が本体の騒音レベルを決定する。ベーンロータリ型空気ポンプに関しても、膨張音や摺動音が発生し、これらの低減が必要となる。代表的な低騒音対策としてマフラーを設ける方法があるが、この場合マフラーを収納するスペースが必要となるため、燃料電池本体の大型化を招いてしまう。
【００２５】
そこで、吸入口１４１ａと連通する吸入接続部１４３と、吐出口１４１ｃと連通する吐出接続部１４４とをフロントプレート１４１の反ポンプ機構部側に設け、吸入接続部１４３の最小通路断面積を吐出接続部１４４の最小通路断面積と同等、もしくはそれ以下にする。騒音の発生要因は膨張音と摺動音であり、これらが吸入口１４１ａを経て外部に漏れてくるため、吸入接続部１４３の通路断面積を縮小し、ポンプ空間１６１から漏れ出る音をマスキングする方法である。これにより消音器を用いることなく低騒音運転を実現した空気ポンプを提供することができるので、燃料電池本体の小型設計が可能となる。
【００２６】
なお本実施の形態では、図１に示すように吸入接続部１４３と吐出接続部１４４をフロントプレート１４１と一体構成としているが、吸入接続部１４３と吐出接続部１４４を別ピースとして製作し、フロントプレート１４１に圧入もしくは接着固定しても効果は変わらない。
【００２７】
（実施の形態２）
図３は本実施の形態２におけるベーンロータリ型空気ポンプの横断面図である。図３において図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００２８】
吸入口１４１ａと連通する吸入接続部１７３と吐出口１４１ｃと連通する吐出接続部１７４とを備えた接続プレート１７１を、フロントプレート１４１の反ポンプ機構部側に隣接配置し、吸入接続部１７３の最小通路断面積を吐出接続部１７４の最小通路断面積と同等、もしくはそれ以下にする。これにより、実施の形態１のように騒音低減はもちろんのこと、吸入接続部１７３と吐出接続部１７４をフロントプレート１４１と分離しているので、例えばプレス板金等で接続プレート１７１を加工することができ、安価に製作することが可能となる。すなわち低コストの空気ポンプを提供することができる。
【００２９】
また接続プレート１７１をフロントプレート１４１に隣接配置する際には、接続プレート１７１の中心軸方向の投影面積を、フロントプレート１４１の中心軸方向の投影面積と同等、もしくはそれ以下にするのが望ましい。これにより空気ポンプの径方向サイズを拡大することなく低騒音を実現することができるので、燃料電池本体の小型設計が可能となる。
【００３０】
（実施の形態３）
図４は本実施の形態３におけるベーンロータリ型空気ポンプの横断面図である。図４において図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００３１】
吸入接続部１４３及び吐出接続部１４４は円管形状とするのが望ましい。これにより、例えばチューブなどを用いることにより、燃料電池本体の吸気経路及び排気経路と容易に接続することができる。
【００３２】
また吸入接続部１４３の内径φＤｉは、外径φＤｏの５０％から９０％の範囲で設定するのが望ましい。この範囲においては、通路断面積を縮小しても吸入抵抗が増大することがないので、性能を確保したまま低騒音化を図ることができる。吐出接続部１４４に関しても同様に内径を縮小することができる。
【００３３】
また吸入接続部１４３の飛び出し長さＨは、外径φＤｏの５０％から１００％の範囲で設定するのが望ましい。この範囲においては、例えばチューブなどの接続配管を用いた場合、吸入接続部１４３からチューブがはずれてしまう恐れもない。また微量の漏れも許容されない場合には、チューブと吸入接続部１４３のひっかかりが十分にあるため、Ｏリング等を介在させ漏れを防止することも可能となる。吐出接続部１４４に関しても同様に飛び出し長さを設定することが望ましい。
【００３４】
上記内容に関しては、図３に示すように接続プレート１７１に吸入接続部１７３と吐出接続部１７４を形成した場合においても、同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
以上のように、本発明にかかるベーンロータリ型空気ポンプは、小型かつ低騒音を両立しており、モバイル用燃料電池の空気供給装置のみならず、家庭用健康器具や医療用治療器具等の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態１におけるベーンロータリ型空気ポンプの横断面図
【図２】本発明の実施の形態１におけるベーンロータリ型空気ポンプの縦断面図
【図３】本発明の実施の形態２におけるベーンロータリ型空気ポンプの横断面図
【図４】本発明の実施の形態３におけるベーンロータリ型空気ポンプの横断面図
【図５】従来のベーンロータリ型ポンプの縦断面図
【図６】従来のベーンロータリ型ポンプの横断面図
【図７】従来のベーンロータリ型ポンプに接続される消音器の斜視図
【符号の説明】
【００３７】
１００  ポンプ機構部
１１１  シリンダ
１２１  ロータ
１２２  スリット
１３１  ベーン
１４１  フロントプレート
１４１ａ  吸入口
１４１ｃ  吐出口
１４３、１７３  吸入接続部
１４４、１７４  吐出接続部
１５１  リアプレート
１４２、１５２  軸受
１６１  ポンプ空間
１７１  接続プレート
２００  駆動モータ部
２２２  モータシャフト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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